KR20040091009A - Apparatus and method for machining of hard metals with reduced detrimental white layer effect - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주는 경질 절삭 공구에의해 기계 가공하고자 하는 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상의 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명의 방법은 소재의 표면 상의 열역학적 하중을 감소시키는 것을 수반하고, 본 발명의 장치는 소재의 표면 상의 열역학적 하중을 감소시키는 수단을 포함한다.The present invention discloses an apparatus and method for reducing the thickness of a thermodynamically affected layer on a machined surface of a hard metal material to be machined by a hard cutting tool that exerts a thermodynamic load on the surface of the material. The method of the present invention involves reducing the thermodynamic load on the surface of the workpiece, and the apparatus of the present invention comprises means for reducing the thermodynamic load on the surface of the workpiece.
Description
금속 기계 가공의 넓은 용도의 유의적인 제한은 소재의 기계 가공된 표면의 극미한 변형인, 이른바 "백색층" 효과인데, 이 효과는 절삭 공구에 의한 기계 가공된 표면에서 나타나는 매우 높은 열역학적 하중에 따라 생성된다. 완전히 이해되는 것은 아니지만, 내에칭성 백색층을 포함하는 열역학적으로 영향을 받는 소재 표면은 관련된 인장 응력, 예컨대 감소된 내피로성, 낮은 피로 인성 및/또는 생성된 부재의 감소된 내마모성때문에, 바람직하지 않다(B.J. Griffins, White Layer Formation at Machined Surface and Their Relationship to White Layer Formations at Worn Surface, J. of Tribology, April 1985, Vol. 107/165 참조).A significant limitation of the wider use of metal machining is the so-called "white layer" effect, which is a slight deformation of the machined surface of the material, which depends on the very high thermodynamic loads present on the machined surface by the cutting tool. Is generated. Although not fully understood, thermodynamically affected material surfaces comprising etch resistant white layers are undesirable because of the associated tensile stresses, such as reduced fatigue resistance, low fatigue toughness and / or reduced wear resistance of the resulting member. (See BJ Griffins, White Layer Formation at Machined Surface and Their Relationship to White Layer Formations at Worn Surface, J. of Tribology, April 1985, Vol. 107/165).
성형기 및/또는 마모되지 않은 절삭 에지, 뿐만 아니라 통상적인 수계 유화 오일 냉각제를 가진 절삭 공구의 플러딩은 유해한 인장 응력 및 백색층 감소에 기여하였으다고 보고되어 있다(W. Konig, M. Kilnger, and R. Link, Machining Hard Materials with Geometrically Defined Cutting Edges - Field of Applications and Limitations, Annals of CIRP, 1990, Vol. 57, pp. 61-64). 통상의 플러드 냉각을 갖춘 경질 기계 가공은 재조사되었으나, 비효과적인 것으로 밝혀졌다(H.K. Tonshoff and H.G. Wobker, Potential and Limitations of Hard Turning, 1st Int. Machining and Grinding Conf., Sept. 12-14, 1995, Dearborn, MI, SME TechnicalPaper MR95-215). 더욱이, 예리한 끝의 절삭 에지는 저렴한 Al2O3계 공구의 경우에서 용이하게 파열되므로 현재의 유일한 선택으로서 고가의 CBN이 남아있다. 경질 기계 가공에서 냉각제 사용은 피해야 하는데, 그 이유는 냉각이 에지 마모를 촉진하고, 최종 하드터닝에 사용되는 CBN 공구의 전체 수명을 단축시키기 대문이다(T.J. Broskea, PCBN Tool Failure Mode Analysis, Intertech 2000, Vancouver B.C., Canada, July 17-21, 2000). 수많은 다른 공보 및 기계 가공 교본은 저렴한 Al2O3공구로 냉각제를 사용하면 급속한 파열을 초래하게 된다고 가리킨다. 비냉각 CBN 공구(건식 터닝)를 사용하여 통상의 경질 베어링 스틸 52100의 하드터닝 중에 백색층 두께에 대한 절삭 속도의 효과가 조사되었다(Y.K. Chou and C.J. Evans, Process Effects on White Layer Formation in Hard Turning, Trans. of NAMRI/SME, Vol. XXVI, 1998, pp. 117-122). 결과는 감소된 생산 속도로 나타나는 단지 비교적 낮은 절삭 속도는 허용 가능하게 얇은 백색층을 보장하는 것으로 나타났다. 따라서, 현재의 기계 가공 기술은 경질의 백색층이 없는 부재를 신속하고 저렴한 비용에서 제조하는 해법을 제공하지 못한다.Flooding of cutting tools with molding machines and / or non-wearing cutting edges, as well as conventional water-based emulsified oil coolants, has been reported to contribute to harmful tensile stress and white layer reduction (W. Konig, M. Kilnger, and R Link, Machining Hard Materials with Geometrically Defined Cutting Edges-Field of Applications and Limitations, Annals of CIRP, 1990, Vol. 57, pp. 61-64). Hard machining with conventional flood cooling has been reviewed, but found to be ineffective (HK Tonshoff and HG Wobker, Potential and Limitations of Hard Turning, 1st Int. Machining and Grinding Conf., Sept. 12-14, 1995, Dearborn , MI, SME Technical Paper MR95-215). Moreover, the sharp edges of the cutting edges are easily ruptured in the case of inexpensive Al 2 O 3 -based tools, leaving expensive CBNs as the only current choice. In hard machining, the use of coolants should be avoided because cooling promotes edge wear and shortens the overall life of CBN tools used for final hard turning (TJ Broskea, PCBN Tool Failure Mode Analysis, Intertech 2000, Vancouver BC, Canada, July 17-21, 2000). Numerous other publications and machining textbooks indicate that the use of coolant with inexpensive Al 2 O 3 tools results in rapid rupture. The effect of the cutting speed on the white layer thickness during the hard turning of conventional hard bearing steel 52100 using an uncooled CBN tool (dry turning) was investigated (YK Chou and CJ Evans, Process Effects on White Layer Formation in Hard Turning, Trans. Of NAMRI / SME, Vol. XXVI, 1998, pp. 117-122). The results show that only relatively low cutting speeds, resulting in reduced production speeds, ensure an acceptable thin white layer. Thus, current machining techniques do not provide a solution for producing a fast, low cost member without a hard white layer.
경질 기계 가공 중에 소재 표면의 변화를 최소화시키는, 보다 구체적으로는 인장 및/또는 요철 표면 응력 및 내에칭성 백색층(즉, "백색층"의 유해 효과)을 제거 또는 최소화하는 장치 및 방법을 갖는 것이 요망되고 있다.Having a device and method for minimizing changes in material surface during hard machining, more specifically removing or minimizing tensile and / or uneven surface stresses and etch resistant white layers (i.e., the deleterious effects of "white layers"). It is desired.
또한, 열역학적으로 영향을 받는 층(예컨대, "백색층")의 유해한 효과가 적은 더 나은 부재를 생성하고, 보다 저렴한 공구를 사용하여 보다 저렴한 비용으로보다 신속하게 수행하는 장치 및 방법을 갖는 것이 요망되고 있다.It would also be desirable to have a device and method that produce better members with less harmful effects of thermodynamically affected layers (eg, “white layers”) and perform more quickly and at lower cost using less expensive tools. It is becoming.
본 발명은 절삭에 의한 경질 금속 재료(예컨대, 칩 형태로 과잉의 재료 제거에 의한 성형 부재)의 기계 가공의 분야, 보다 구체적으로는 소재를 기계 가공하는 경질 절삭 공구의 열역학적 하중으로 인하여 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면 상에서 열역학적으로 영향받은 층(예컨대, 백색층)의 두께를 감소시키고/시키거나 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 유해한 효과를 완화시키는 기계 가공 방법에 관한 것이다.The present invention relates to the field of machining of hard metal materials by cutting (e.g., forming members by removing excess material in the form of chips), and more particularly to the hard metal materials due to the thermodynamic load of hard cutting tools for machining materials. To a method of reducing the thickness of a thermodynamically affected layer (eg, a white layer) on a machined surface of and / or mitigating deleterious effects on a machined surface of a hard metal material.
특히, 본 발명은 스케일 C에서 42 로크웰을 초과하는 표면 경도를 특징으로 하는 경질 금속 부재를, 1500 빅커를 초과하는 에지 경도를 특징으로 하는 경질 절삭 공구로 기계 가공하는 것에 관한 것이다. 경질 또는 경화 금속 부재의 기계 가공은 생산 사이클에서 열 처리 및 기계 가공 단계의 감소 및 느린 마무리 분쇄 작동의 정도를 최소화함으로써 제조업에 상당한 비용 절약을 가져온다. 알루미나(Al2O3), 입방체 질화붕소(CBN) 및 많은 다른 진보된 재료를 비롯하여, 경질 세라믹 절삭 공구 및 공구 코팅의 출현으로, 경질 금속의 기계 가공은 실현 가능하게 되고, 외경(OD) 터닝, 내경 터닝(천공), 홈 가공, 분금, 외장, 제분, 드릴 가공 및 수많은 다른 절삭 공정을 포함한다.In particular, the present invention relates to the machining of a hard metal member characterized by a surface hardness in excess of 42 Rockwell at scale C with a hard cutting tool characterized by an edge hardness in excess of 1500 Vickers. Machining of hard or hardened metal parts brings significant cost savings to the manufacturing industry by minimizing the reduction of heat treatment and machining steps in the production cycle and the slow finish grinding operation. With the advent of hard ceramic cutting tools and tool coatings, including alumina (Al 2 O 3 ), cubic boron nitride (CBN) and many other advanced materials, machining of hard metals becomes feasible and turning outer diameter (OD) Internal diameter turning, drilling, grooving, powdering, sheathing, milling, drilling and many other cutting processes.
도 1a는 중실 바스톡 및 원형 절삭 공구를 이용한 OD 하드터닝을 예시하는 개략도 및 기계 가공되는 소재의 전형적인 표면하 미세구조의 단면도를 상세하는 개략 대표도이다.1A is a schematic diagram illustrating OD hard turning with solid barstock and circular cutting tools and a schematic representation detailing a cross-sectional view of a typical subsurface microstructure of a workpiece being machined.
도 1b는 도 1a에 도시된 것과 유사한 OD-하드터닝 조작으로 사용된 본 발명의 구체예를 예시하는 개략 다이아그램이다.FIG. 1B is a schematic diagram illustrating an embodiment of the invention used in an OD-hard turning operation similar to that shown in FIG. 1A.
도 2는 상이한 절삭 속도, 절삭 공구 재료 및 냉각 조건을 사용한 8 가지 테스트 조건에 대한 백색층 두께의 측정을 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the measurement of white layer thickness for eight test conditions using different cutting speeds, cutting tool materials and cooling conditions.
도 3a는 700 피트/분의 절삭 속도에서 상이한 절삭 공구 재료 및 냉각 조건을 이용한 하드터닝의 결과로서 표면하 경도를 나타내는 그래프이다.3A is a graph showing subsurface hardness as a result of hard turning with different cutting tool materials and cooling conditions at a cutting speed of 700 feet / minute.
도 3b는 도 3a에 도시된 바와 같은 샘플의 4 가지 형태에 대한 잔류 응력 측정의 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 3B is a graph showing the results of residual stress measurements for four types of samples as shown in FIG. 3A.
도 4a는 기울기각 A-O-B가 음인 하드터닝의 종래 방법을 예시하는 개략 다이아그램이다.4A is a schematic diagram illustrating a conventional method of hard turning in which the inclination angles A-O-B are negative.
도 4b는 기울기각이 도 4a에 도시된 음의 값으로부터 도 4b에 도시된 양의 값 B-O-C로 증가되는, 본 발명의 구체예를 예시하는 개략 다이아그램이다.FIG. 4B is a schematic diagram illustrating an embodiment of the present invention wherein the tilt angle is increased from the negative value shown in FIG. 4A to the positive value B-O-C shown in FIG. 4B.
도 4c는 본 발명의 다른 구체예를 예시하는 개략 다이아그램이다.4C is a schematic diagram illustrating another embodiment of the present invention.
발명의 상세한 설명Detailed description of the invention
본 발명은 한정하는 것은 아니지만 열역학적으로 영향받은 층을 제거하거나 또는 그 두께를 감소시키고, CBN 공구 재료, 뿐만 아니라 덜 고가의 Al2O3, 탄화물, 도성 합금 또는 기타 경질 공구 재료를 사용하여 과잉의 백색층없이 고속에서 절삭을 할 수 있는 방법을 사용하여 경질 절삭 공구로 경질 금속 소재를 기계 가공하는 것을 포함한다. 이하에 사용되는 용어 "백색층"은, 한정하는 것은 아니지만 표면 인장 응력과 관련된 것(예컨대, 감소된 내피로성, 저 파열 인성 및/또는 감소된 내마모성)을 비롯한 모든 유형의 "열역학적으로 영향을 받는 층"을 의미한다.The present invention removes or reduces the thickness of the thermodynamically affected layer, and uses excess CBN tool materials, as well as less expensive Al 2 O 3 , carbide, conductive alloys or other hard tool materials. Machining hard metal materials with hard cutting tools using a method capable of cutting at high speed without a white layer. The term "white layer", used below, refers to all types of "thermodynamically affected", including but not limited to those associated with surface tensile stress (eg, reduced fatigue resistance, low burst toughness and / or reduced wear resistance). Layer ".
본 발명에 따르면, 기계 가공된 표면에서 절삭 공구에 의해 제공되는 열역학적 하중은 하기 논의되는 세 가지 기술(A, B, C) 중 하나 또는 이들의 조합을 사용하여 감소된다.According to the present invention, the thermodynamic load provided by the cutting tool at the machined surface is reduced using one or a combination of the three techniques (A, B, C) discussed below.
A. 고온 공구 계면으로부터 소재로 전달되는 열이 감소되고, 바람직하게는 공구가 소재 표면에 대해 열 싱크가 되도록 불활성 무수 냉각제의 정확하게 지향된 제트 또는 분무를 사용하는 절삭 공구의 냉각.A. Cooling of the cutting tool using precisely directed jets or sprays of inert anhydrous coolant such that the heat transferred from the hot tool interface to the workpiece is reduced and the tool is a heat sink to the workpiece surface.
공구 냉각 제트의 온도는 +25℃와 -250℃ 사이에서 달라질 수 있으며, 더 낮은 초저온 제트 온도가 바람직하다. 그러한 제트로 냉각된 공구는 기계 가공된 부재의 표면을 더 차갑게 한다. 또한, 경질 기계 가공 테스트 중에 관찰되는 바와 같이, 통상의 기계 가공 기술과는 대조적으로 불활성이고 물을 함유하지 않는 냉각 제트를 사용하면 Al2O3, CBN 및 기타 경질 절삭 공구의 수명을 향상시키고, 더 낮은 절삭력과 더 얇은 백색층을 발생하는 더 예리한 절삭 에지를 사용할 수 있게 한다.The temperature of the tool cooling jet can vary between +25 ° C and -250 ° C, with lower cryogenic jet temperatures being preferred. Such jet cooled tools make the surface of the machined member cooler. In addition, as observed during hard machining tests, the use of inert, water-free cooling jets, in contrast to conventional machining techniques, improves the life of Al 2 O 3 , CBN and other hard cutting tools, This allows for the use of sharper cutting edges resulting in lower cutting forces and thinner white layers.
B. 기술 A에서와 동일한 유형의 직접 충돌 냉각 제트 또는 분무를 이용한 형성 또는 기계 가공되는 소재 표면의 냉각B. Cooling of formed or machined material surfaces using direct impact cooling jets or sprays of the same type as in technology A
관찰을 토대로, 기계 가공되는 소재 표면을 냉각하면 기계 가공된 재료로의 열 투과 깊이, 그리고 따라서 바람직하지 않은 재료 변형 정도가 감소되는 것으로 나타났다. 기술 B의 표면 냉각 제트는 기술 A의 공구 냉각 제트와 별개일 수 있거나; 또는 단지 단일 제트가 공구와 표면을 동시에 냉각시키는 방식으로 지향될 수 있다. 당업자라면, 기술 A 및 기술 B의 다중 냉각 제트 또는 분무가 본 발명에 따라 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.Based on the observations, cooling of the machined material surface has been shown to reduce the depth of heat transmission to the machined material, and thus the degree of undesirable material deformation. The surface cooling jet of technology B may be separate from the tool cooling jet of technology A; Or only a single jet can be directed in a manner that simultaneously cools the tool and the surface. Those skilled in the art will appreciate that multiple cooling jets or sprays of Technology A and Technology B can be used in accordance with the present invention.
C. 기계 가공되는 소재 표면에 법선인 방향으로 절삭력 성분 감소C. Reduced cutting force components in the direction normal to the surface of the machined material
테스트 중에 관찰되는 바와 같이, 기계 가공되는 소재에 법선인 절삭력 성분은 표면에 들어가고 백색층을 발생하는 열 플럭스의 심각한 공급원인 것으로 나타났다. 법선력이 반경방향력인, 가장 흔히 실시되는 OD-하드터닝 조작의 경우에서, 보다 양의 공구 기울기각은 표면에 진입하는 열역학적 하중을 감소시킨다. 법선력이 공급력인 직교 절삭의 경우, 보다 양의 경사각이 보다 중요할 것이다. 가장 일반적인 절삭의 경우에서, 기울기각과 경사각은 현재의 경질 기계 가공 조작에서 사용되는 통상적인 음의 값보다 더 양성이 되게 한다. 경질 절삭 공구의 수명이 양의 기울기각 및 경사각과 반비례하기 때문에, 이러한 각의 값의 증가는 기술 A와 조합하여 실시한다면 가장 유리한데, 이 또한 경질 기계 가공 중에 공구 수명을 향상시킨다.As observed during the test, the cutting force component normal to the material being machined was found to be a serious source of heat flux entering the surface and generating a white layer. In the most commonly performed OD-hard turning operation, where the normal force is a radial force, a more positive tool tilt angle reduces the thermodynamic load entering the surface. For orthogonal cutting where normal force is the supply force, a more positive angle of inclination will be more important. In the most common case of cutting, the tilt angle and the tilt angle are more positive than the usual negative values used in current hard machining operations. Since the life of the hard cutting tool is inversely proportional to the positive inclination angle and the inclination angle, an increase in the value of this angle is most advantageous if carried out in combination with technique A, which also improves the tool life during hard machining.
발명의 개시Disclosure of the Invention
본원인의 발명은 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는 장치 및 방법, 그리고 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면 내 열역학적 하중의 유해한 효과를 완화시키는 장치 및 방법이다. 본 발명의 다른 양태는 상기 장치 및 방법을 사용하여 경질 금속 소재를 기계 가공하는 장치 및 방법이다. 본 발명의 다른 양태는 기계 가공 장치 및 방법에 의해 기계 가공된 소재이다.The inventors of the present invention provide an apparatus and method for reducing the thickness of a thermodynamically affected layer on a machined surface of a hard metal material, and an apparatus and method for mitigating the deleterious effects of thermodynamic loading in a machined surface of a hard metal material to be. Another aspect of the invention is an apparatus and method for machining a hard metal material using the apparatus and method. Another aspect of the invention is a workpiece machined by a machining apparatus and method.
소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주는 경질 절삭 공구에 의해 기계 가공하고자 하는 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상에 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는 방법의 제1 구체예는 열역학적 하중을 감소시키는 것을 포함한다.A first embodiment of a method of reducing the thickness of a thermodynamically affected layer on a machined surface of a hard metal material intended to be machined by a hard cutting tool that gives a thermodynamic load on the surface of the workpiece is to reduce the thermodynamic load. It involves making.
그 방법의 제1 구체예에는 몇 가지 변형이 있다. 한 가지 변형예에서, 경질 금속 소재는 철 함유 합금을 포함한다. 다른 변형예에서, 경질 절삭 공구는 세라믹 화합물; 세라믹-세라믹 복합체; 세라믹-금속 복합체; 다이아몬드 유사 무금속 재료; 알루미나계 세라믹; 입방체 질화붕소계 세라믹 재료; 탄화텅스텐계 재료; 및 도성 합금형 재료로 구성된 군 중에서 선택되는 재료의 적어도 일부로 이루어진다.There are several variations of the first embodiment of the method. In one variation, the hard metal material comprises an iron containing alloy. In another variation, the hard cutting tool comprises a ceramic compound; Ceramic-ceramic composites; Ceramic-metal composites; Diamond-like nonmetallic materials; Alumina-based ceramics; Cubic boron nitride-based ceramic materials; Tungsten carbide based materials; And at least a portion of a material selected from the group consisting of conductive alloy materials.
또 다른 변형예에서, 절삭 공구는 소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가지며, 열역학적 하중은 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전에, 또는소재가 기계 가공되는 도중에 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 절삭 공구를 냉각시킴으로써 감소된다. 이 변형예의 변형에서, 절삭 공구는 외부 냉각 수단에 의해 냉각된다. 이 변형예의 한 가지 변형에서, 냉각 수단은 1 이상의 초저온 유체를 포함한다. 다른 변형에서, 다른 변형에서 냉각 수단은 1 이상의 불활성 무수 냉각제를 포함한다. 또 다른 변형에서, 절삭 공구는 경도 및 크래킹 내성을 가지며, 냉각 수단으로 절삭 공구를 냉각하면 경도가 증가되거나, 또는 크래킹 내성이 증가된다.In another variant, the cutting tool initially has a first temperature before contacting the surface of the workpiece and the thermodynamic load is lower than the first temperature before the cutting tool contacts the surface of the workpiece or during the machining of the material. Reduced by cooling the cutting tool to a second temperature. In a variant of this variant, the cutting tool is cooled by external cooling means. In one variant of this variant, the cooling means comprises at least one cryogenic fluid. In another variant, in another variant the cooling means comprises at least one inert anhydrous coolant. In another variant, the cutting tool has hardness and cracking resistance, and cooling the cutting tool with cooling means increases the hardness, or increases the cracking resistance.
상기 방법의 다른 변형예에서, 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가되며, 열역학적 하중은 절삭력의 성분을 감소시킴으로써 감소된다. 이 변형예에는 몇 가지 변형이 있다. 한 가지 변형에서, 절삭 공구는 기울기(inclination)각을 가지며, 절삭력의 성분은 기울기각을 보다 양이 되도록 함으로써 감소된다(어구 "기울기각을 보다 양이 되도록"은 하기 발명의 상세한 설명 섹션에 정의되고 논의된다). 다른 변형에서, 절삭 도구는 경사(rake)각을 가지며, 절삭력의 성분은 경사각을 보다 양이 되도록 한다.In another variant of the method, at least a portion of the thermodynamic load is a component of the cutting force, the component is applied in a direction normal to the surface of the workpiece, and the thermodynamic load is reduced by reducing the component of the cutting force. There are several variations of this variant. In one variant, the cutting tool has an angle of inclination, and the component of the cutting force is reduced by making the angle of inclination more positive (the phrase “to make the angle of inclination more positive” is defined in the Detailed Description section of the invention below). And discussed). In another variation, the cutting tool has a rake angle and the component of the cutting force makes the tilt angle more positive.
경질 절삭 공구에 의해 기계 가공하고자 하는 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향받은 층의 두께를 감소시키는 방법의 제2 구체예는 다단계를 포함한다. 이 구체예에서, 절삭 공구는 소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가지며, 열역학적 하중은 소재의 표면 상에 미치고, 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이며, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가된다. 상기 방법의 제1 단계는 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전에, 또는 소재가 기계 가공되는 도중에 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 절삭 공구를냉각시키는 것이다. 제2 단계는 절삭력의 성분을 감소시키는 것이다.A second embodiment of the method of reducing the thickness of a thermodynamically affected layer on a machined surface of a hard metal material to be machined by a hard cutting tool comprises multiple steps. In this embodiment, the cutting tool initially has a first temperature before contacting the surface of the workpiece, the thermodynamic load exerts on the surface of the workpiece, at least a portion of the thermodynamic load being a component of the cutting force, the component being the surface of the workpiece Is applied in the normal direction. The first step of the method is to cool the cutting tool to a second temperature lower than the first temperature before the cutting tool contacts the surface of the workpiece or during the machining of the workpiece. The second step is to reduce the component of the cutting force.
경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서, 소재를 기계 가공하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미쳐서, 기계 가공된 표면을 형성하게되는 열역학적 하중의 유해한 효과를 완화시키는 방법의 제1 구체예는 초기 온도가 약 -250℃ 내지 약 +25℃ 범위인 냉각 수단에 의해 기계 가공된 표면을 냉각시키는 것을 포함한다.In a machined surface of a hard metal material, a first embodiment of a method for mitigating the detrimental effects of thermodynamic loads that would reach the surface of a material by means of a hard cutting tool that machined the material would form a machined surface. Cooling the machined surface by cooling means having a temperature in the range from about -250 ° C to about + 25 ° C.
상기 방법의 제1 구체예에는 몇 가지 변형이 있다. 한 가지 변형예에서, 냉각 수단은 1 이상의 불활성 무수 냉각제를 포함한다. 다른 변형예에서, 냉각 수단은 초저온 유체를 함유하는 1 이상의 스트림 또는 온도가 약 -75℃인 얼음 입자를 포함한다. 다른 변형에서, 경질 금속 소재는 철 함유 합금을 포함한다. 다른 변형에서, 경질 절삭 공구는 세라믹 화합물; 세라믹-세라믹 복합체; 세라믹-금속 복합체; 다이아몬드 유사 무금속 재료; 알루미나계 세라믹; 입방체 질화붕소계 세라믹 재료; 탄화텅스텐계 재료; 및 도성 합금형 재료로 구성된 군 중에서 선택되는 재료의 적어도 일부로 이루어진다.There are several variations of the first embodiment of the method. In one variant, the cooling means comprises at least one inert anhydrous coolant. In another variant, the cooling means comprises one or more streams containing cryogenic fluid or ice particles having a temperature of about -75 ° C. In another variation, the hard metal material comprises an iron containing alloy. In another variation, the hard cutting tool is a ceramic compound; Ceramic-ceramic composites; Ceramic-metal composites; Diamond-like nonmetallic materials; Alumina-based ceramics; Cubic boron nitride-based ceramic materials; Tungsten carbide based materials; And at least a portion of a material selected from the group consisting of conductive alloy materials.
유해 효과의 완화 방법의 제2 구체예는 제1 구체예와 유사하지만, 냉각 수단에 의해 동시에 절삭 공구를 냉각시키는 것을 포함한다.The second embodiment of the method of mitigating the deleterious effect is similar to the first embodiment but includes cooling the cutting tool at the same time by cooling means.
제1 구체예와 유사한, 유해 효과의 완화 방법의 제3 구체예에서, 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가된다. 이 제3 구체예에서의 방법은 절삭력의 성분을 감소시키는 것을 포함한다. 절삭 공구가 기울기각을 가진, 이 구체예의 변형예에서, 절삭력의 성분은 기울기각을 보다 양이 되게 함으로써 감소되며, 냉각 수단은 온도가 약 -75℃인 초저온 유체 또는 1 이상의 얼음 입자를 함유하는 1 이상의 스트림을 포함한다.In a third embodiment of the method of mitigating noxious effects, similar to the first embodiment, at least a portion of the thermodynamic load is a component of the cutting force, which component is applied in a direction normal to the surface of the workpiece. The method in this third embodiment includes reducing the component of cutting force. In a variant of this embodiment, in which the cutting tool has an inclination angle, the component of the cutting force is reduced by making the inclination angle more positive, and the cooling means contains one or more ice particles or cryogenic fluid having a temperature of about -75 ° C. Contains one or more streams.
유해 효과의 완화 방법의 제4 구체예는 제3 구체예와 유사하지만, 냉각 수단에 의해 동시에 절삭 공구를 냉각시키는 것을 포함한다. 절삭 공구가 기울기각을 가진, 제4 구체예의 변형예에서, 절삭력의 성분은 기울기각을 보다 양이 되게 흠올서 감소되고, 냉각 수단은 초저온 유체를 함유하는 1 이상의 스트림을 온도가 -75℃ 미만인 1 이상의 얼음 입자와 함께 포함한다.The fourth embodiment of the method of mitigating the deleterious effect is similar to the third embodiment but includes cooling the cutting tool at the same time by cooling means. In a variant of the fourth embodiment, in which the cutting tool has an inclination angle, the component of the cutting force is reduced by more positively inclining the inclination angle, and the cooling means reduces the temperature of at least one stream containing the cryogenic fluid at a temperature below -75 ° C. Contains with one or more ice particles.
소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키고, 상기 소재가 소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가진 경질 절삭 공구로 기계 가공되며, 상기 경질 절삭 공구는 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 부과하는, 경질 금속 소재의 기계 가공 방법의 제1 구체예는 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전이나, 또는 상기 소재가 기계 가공되는 도중에 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 절삭 공구를 냉각시키는 것을 포함한다.Reducing the thickness of the thermodynamically affected layer on the machined surface of the workpiece, and machining the workpiece with a hard cutting tool having a first temperature initially before the workpiece contacts the surface of the workpiece, the rigid cutting tool being the workpiece A first embodiment of a method of machining a hard metal material, which imposes a thermodynamic load on the surface of the metal sheet, comprises: a second lower than the first temperature before the cutting tool contacts the surface of the material or during the machining of the material; Cooling the cutting tool to temperature.
열역학적 하중의 유해 효과가 소재의 기계 가공된 표면에서 완화되고, 상기 열역학적 하중이 소재의 기계 가공된 면을 형성하는 경질 절단 공구에 의해 소재의 표면에 미치는, 경질 금속 소재의 기계 가공 방법의 제2 구체예는 초기 온도가 약 -250℃ 내지 약 +25℃인 냉각 수단에 의해 기계 가공된 표면을 냉각시키는 것을 포함한다.A second method of machining a hard metal material, wherein the harmful effects of the thermodynamic load are alleviated at the machined surface of the material, and the thermodynamic load is applied to the surface of the material by a hard cutting tool forming the machined surface of the material. Embodiments include cooling the machined surface by cooling means having an initial temperature of about -250 ° C to about + 25 ° C.
소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키고, 상기 소재가 경질 절삭 공구로 기계 가공되며, 경질 절삭 공구가 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주고, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부가 절삭력의 성분이며, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가되는, 경질 금속 소재의 기계 가공 방법의 제3 구체예는 절삭력의 성분을 감소시키는 것을 포함한다.Reducing the thickness of the thermodynamically affected layer on the machined surface of the workpiece, the workpiece being machined with a hard cutting tool, the rigid cutting tool giving a thermodynamic load on the surface of the workpiece, and at least a portion of the thermodynamic load Is a component of the cutting force, the third embodiment of the method of machining a hard metal material, wherein the component is applied in a direction normal to the surface of the material includes reducing the component of the cutting force.
제1 구체예와 유사한, 기계 가공 방법의 제4 구체예에서, 열역학적 성분의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가된다. 제4 구체에는 절삭력의 성부늘 감소시키는 것을 포함한다.In a fourth embodiment of the machining method, similar to the first embodiment, at least a portion of the thermodynamic component is a component of the cutting force, which component is applied in a direction normal to the surface of the workpiece. The fourth sphere includes reducing the cutting force of the cutting force.
기계 가공 방법의 제5 구체예는 제2 구체예와 유사하지만, 냉각 수단에 의해 동시에 절삭 공구를 냉각시키는 것을 포함한다.The fifth embodiment of the machining method is similar to the second embodiment, but includes cooling the cutting tool simultaneously by cooling means.
제2 구체예와 유사한, 기계 가공 방법의 제6 구체예에서, 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가된다. 제6 구체예는 절삭력의 성분을 감소시키는 것을 포함한다.In a sixth embodiment of the machining method, similar to the second embodiment, at least a portion of the thermodynamic load is a component of the cutting force, which component is applied in a direction normal to the surface of the workpiece. A sixth embodiment includes reducing the component of cutting force.
기계 가공 방법의 제7 구체예는 제6 구체예와 유사하지만, 냉각 수단에 의해 동시에 절삭 공구를 냉각시키는 것을 포함한다.The seventh embodiment of the machining method is similar to the sixth embodiment but includes cooling the cutting tool simultaneously by cooling means.
본 발명의 다른 양태는 상기 구체예 중 임의의 것과 같은 기계 가공 방법에 의해 기계 가공된 소재이고, 개선된 표면 또는 개선된 특성을 특징으로 한다.Another aspect of the invention is a material machined by a machining method such as any of the above embodiments, and is characterized by improved surface or improved properties.
소재의 표면 상에 열역학적 하중이 미치는 경질 절삭 공구에 의해 기계 가공하고자 하는 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는 장치의 제1 구체예는 열역학적 하중을 감소시키는 수단을 포함한다.A first embodiment of a device for reducing the thickness of a thermodynamically affected layer on a machined surface of a hard metal material to be machined by a hard cutting tool exerted by a thermodynamic load on the surface of the workpiece is to reduce the thermodynamic load. Means;
상기 장치의 제1 구체예에는 몇 가지 변형예가 있다. 한 가지 변형에서, 경질 금속 소재는 철 함유 합금을 포함한다. 다른 변형예에서, 경질 절삭 공구는 세라믹 화합물; 세라믹-세라믹 복합체; 세라믹-금속 복합체; 다이아몬드 유사 무금속 재료; 알루미나계 세라믹; 입방체 질화붕소계 세라믹 재료; 탄화텅스텐계 재료; 및 도성 합금형 재료로 구성된 군 중에서 선택되는 재료의 적어도 일부로 이루어진다.There are several variations of the first embodiment of the device. In one variation, the hard metal material comprises an iron containing alloy. In another variation, the hard cutting tool comprises a ceramic compound; Ceramic-ceramic composites; Ceramic-metal composites; Diamond-like nonmetallic materials; Alumina-based ceramics; Cubic boron nitride-based ceramic materials; Tungsten carbide based materials; And at least a portion of a material selected from the group consisting of conductive alloy materials.
소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가진 경질 절삭 공구에 의해 기계 가공하고자 하는 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는 장치로서, 상기 경질 절삭 공구가 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주고, 상기 성분이 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가되는 제2 구체예는 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전이나, 또는 소재가 기계 가공되는 도중에 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 절삭 공구를 냉각시키는 수단; 및 절삭력의 성분을 감소시키는 수단을 포함한다.A device for reducing the thickness of a thermodynamically affected layer on a machined surface of a hard metal material intended to be machined by a hard cutting tool having a first temperature prior to contacting the surface of the material, the hard cutting tool A second embodiment in which a thermodynamic load is applied on the surface of the workpiece and the component is applied in the direction normal to the surface of the workpiece is a first embodiment of the cutting tool before contacting the surface of the workpiece or during the machining of the workpiece. Means for cooling the cutting tool to a second temperature lower than the temperature; And means for reducing the component of the cutting force.
경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 열역학적 하중의 유해 효과를 완화시키는 장치로서, 열역학적 하중이 소재를 기계 가공하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면 상에 미치고, 이로써 기계 가공된 표면을 형성하는 제1 구체예는 초기 온도가 약 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 냉각제의 1 이상의 스트림에 의해 기계 가공된 표면을 냉각시키는 수단을 포함한다. 이 구체예의 한 가지 변형예에서, 상기 스트림은 1 이상의 불활성 무수 냉각제를 함유한다. 다른 변형예에서, 상기 1 이상의 스트림은 초저온 유체 또는 온도가 약 -75℃ 미만인 얼음 입자를 함유한다.A device for mitigating the deleterious effects of thermodynamic loading on a machined surface of a hard metal material, the thermodynamic load being exerted on the surface of the material by a hard cutting tool for machining the material, thereby forming a machined surface. Embodiments include means for cooling the surface machined by at least one stream of coolant having an initial temperature in the range of about -250 ° C to + 25 ° C. In one variation of this embodiment, the stream contains at least one inert anhydrous coolant. In another variation, the at least one stream contains cryogenic fluid or ice particles having a temperature of less than about −75 ° C.
경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 열역학적 하중의 유해 효과를 완화시키는 장치로서, 상기 열역학적 하중이 소재를 기계 가공하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미치고, 이로써 기계 가공된 표면이 형성되며, 상기 열역학적하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가되는 제2 구체예는 초기 온도가 약 -250℃ 내지 약 +25℃ 범위인 1 이상의 불활성 무수 냉각제를 함유하는 1 이상의 스트림에 의해 기계 가공된 표면을 냉각시키는 수단; 1 이상의 불활성 무수 냉각제를 함유하는 1 이상의 다른 스트림에 의해 동시에 절삭 공구를 냉각시키는 수단; 및 절삭력의 성분을 감소시키는 수단을 포함한다.A device for mitigating the deleterious effects of thermodynamic loading on a machined surface of a hard metal material, wherein the thermodynamic load is applied to the surface of the material by a hard cutting tool for machining the material, thereby forming a machined surface, and At least a portion of the thermodynamic load is a component of the cutting force, the second embodiment wherein the component is applied in the normal direction to the surface of the material contains at least one inert anhydrous coolant having an initial temperature in the range of about -250 ° C to about + 25 ° C. Means for cooling the surface machined by at least one stream; Means for simultaneously cooling the cutting tool by at least one other stream containing at least one inert dry coolant; And means for reducing the component of the cutting force.
본 발명의 다른 양태는 경질 금속 소재를 기계 가공하는 장치이다. 기계 가공 장치에는 몇 가지 구체예가 있다.Another aspect of the invention is an apparatus for machining hard metal materials. There are several embodiments of the machining apparatus.
소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 장치로서, 상기 소재가 소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가진 경질 절단 공구에 의해 기계 가공되고, 상기 경질 절삭 공구가 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주는 제1 구체예는 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전이나, 또는 소재가 기계 가공되는 도중에 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 절삭 공구를 냉각시키는 수단을 포함한다.An apparatus for machining hard metal materials, which reduces the thickness of a thermodynamically affected layer on the machined surface of a workpiece, the hard cutting tool having a first temperature initially before the workpiece contacts the surface of the workpiece. A first embodiment that is machined and wherein the hard cutting tool exerts a thermodynamic load on the surface of the workpiece comprises a second temperature lower than the first temperature before the cutting tool contacts the surface of the workpiece or during the machining of the workpiece. Means for cooling the furnace cutting tool.
열역학적 하중의 유해 효과를 소재의 기계 가공된 표면에서 완화시키는, 결질 금속 소재의 기계 가공 장치로서, 상기 소재가 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 줌으로써 기계 가공되고, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부가 절삭력의 성분이며, 상기 성분이 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가되는 제3 구체예는 절삭력의 성분을 감소시키는 수단을 포함한다.A machining apparatus for inert metals, which mitigates the deleterious effects of thermodynamic loads on a machined surface of a workpiece, wherein the workpiece is machined by applying a thermodynamic load on the surface of the workpiece, wherein at least a portion of the thermodynamic load is affected by the cutting force. A third embodiment in which the component is applied in a direction normal to the surface of the workpiece comprises means for reducing the component of the cutting force.
제1 구체예와 유사한 제4 구체예에서, 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가된다. 제4 구체예는 절삭력의 성분을 감소시키는 수단을 포함한다.In a fourth embodiment similar to the first embodiment, at least a portion of the thermodynamic load is a component of the cutting force, which component is applied in a direction normal to the surface of the workpiece. The fourth embodiment includes means for reducing the component of cutting force.
기계 가공 장치의 제5 구체예는 제2 구체예와 유사하지만, 1 이상의 다른 유체 스트림으로 절삭 공구를 동시에 냉각시키는 수단을 포함하며, 상기 냉각 수단은 유체의 스트림을 분무하는 수단이다.The fifth embodiment of the machining apparatus is similar to the second embodiment, but includes means for simultaneously cooling the cutting tool with one or more other streams of fluid, the cooling means being means for spraying a stream of fluid.
기계 가공 장치의 제6 수단은 제3 구체예와 유사하지만 초기 온도가 약 -250℃ 내지 약 +25℃ 범위인 유체의 1 이상의 스트림으로 기계 가공된 표면을 분무하는 수단을 포함한다.The sixth means of the machining apparatus includes means for spraying the machined surface with one or more streams of fluid similar to the third embodiment but with an initial temperature ranging from about -250 ° C to about + 25 ° C.
기계 가공 장치의 제7 구체예는 제6 구체예와 유사하지만, 절삭 공구 상에 1 이상의 다른 유체 스트림을 동시에 분무하는 수단을 포함한다.The seventh embodiment of the machining apparatus is similar to the sixth embodiment, but includes means for simultaneously spraying one or more other fluid streams on the cutting tool.
본 발명의 다른 양태는 상기 구체예 중 임의의 것에서와 같은 기계 가공 장치에 의해 기계 가공된 소재이고, 개선된 표면 또는 개선된 특성을 특징으로 한다.Another aspect of the invention is a material machined by a machining apparatus as in any of the above embodiments, characterized by an improved surface or improved properties.
본 발명을 첨부 도면을 참고로 실시예에 의해 설명하고자 한다.The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings.
도 1a는 경사면의 상면으로부터 보았을 때 소재(12)로서 중실 바스톡과 원형 절삭 공구(14)(CT로 표기한 절삭 인서트를 갖춤)를 수반하는 OD-하드터닝 조작의 개략 다이아그램이다. 이 도면은 X-Z 평면도라고 한다. 절삭 공구에 의해 소재에 적용되어야 하는 주 절삭력의 X-Z 투사는 FXZ공급 또는 공급력, 그리고 FXZ반경 또는 반경방향력으로 표기하며, 여기서 공급력은 반경방향력보다 적다. 소재의 기계 가공되는 표면 상의 열역학적으로 영향을 받는 층(16)의 위치는 도 1a에 도시되어 있다. 도면의 우측에 있는 상세도는 3,000 내지 12,000 배 범위의 배율을 이용한주사 전자 현미경(SEM) 하에 관찰할 수 있는 기계 가공되는 소재의 통상적인 표면하 미세구조의 단면도이다. 다음 기호를 사용한다: OS - 하드터닝 중에 절삭 공구와 직접 접촉한 외면, WL - 백색층, DL - 암층 및 BM - 바스톡의 모구조 또는 영향받지 않은 구조를 나타내는 기부 금속.FIG. 1A is a schematic diagram of an OD-hard turning operation involving a solid barstock and a circular cutting tool 14 (with a cutting insert designated by CT) as the workpiece 12 when viewed from the top surface of the inclined surface. This figure is called an XZ plan view. The XZ projection of the main cutting force to be applied to the workpiece by the cutting tool is denoted by F XZ supply or feed force and F XZ radius or radial force, where the feed force is less than the radial force. The location of the thermodynamically affected layer 16 on the machined surface of the workpiece is shown in FIG. 1A. The detail on the right side of the figure is a cross-sectional view of a typical subsurface microstructure of a machined material that can be observed under a scanning electron microscope (SEM) using magnifications ranging from 3,000 to 12,000 times. The following symbols are used: OS-base metal which shows the outer surface of the direct contact with the cutting tool during hard turning, the WL-white layer, the DL-rock layer and the BM-basstock or unaffected structure.
스케일 C 상에서 로크웰 61로 경화되고, 경질 기계 가공된 통상의 베어링 스틸 등급, AISI 52100(1 중량% C 및 1.5 중량% Cr), 에 대해 수행된 SEM 조사를 토대로, 백색층(WL)은 넓게 분산된 구형 탄화물을 가진 불량하게 에칭된 재료의 얇은 띠이다. 하도 암층(DL)은 백색층보다 두껍고, 보다 많고 큰 탄화물 입자를 함유할 뿐만 아니라, 미세양태는 마르텐사이트 침상 및 래치를 시사한다. 열역학적으로 영향을 받는 층은 백색층(WL)과 암층(DL)을 포함하지만, 기부 금속까지 더 깊이 연장할 수 있으며, 간단한 현미경법을 사용하여서는 측정할 수 없다. 따라서, 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께의 평가는 (1) 잘 대비되는 백색층(WL)의 현미경 측정과 (2) 기계 가공하고자 하는 표면 아래의 재료의 기계 특성의 측정, 예컨대 잔류 응력 및 마이크로경도 측정의 조합을 토대로 한다.Based on SEM investigations performed on a conventional bearing steel grade, AISI 52100 (1 wt% C and 1.5 wt% Cr), hard machined to Rockwell 61 on Scale C, the white layer (WL) was widely dispersed Thin strips of poorly etched material with spherical carbides. The underlying rock layer (DL) is thicker than the white layer and contains more and larger carbide particles, as well as the microstructure suggests martensite needles and latches. The thermodynamically affected layers include the white layer (WL) and the rock layer (DL), but can extend deeper to the base metal and cannot be measured using simple microscopy. Thus, the evaluation of the thickness of the thermodynamically affected layer is based on (1) microscopic measurement of the highly contrasting white layer (WL) and (2) measurement of the mechanical properties of the material under the surface to be machined, such as residual stress and micro Based on a combination of hardness measurements.
도 1b는 절삭 공구(14)와 소재(12)(바스톡)의 동일한 X-Z 도면을 나타내지만, 도 1a에서와 같이 표면하 미세구조의 단면 상세도는 포함하지 않는다. 지점 CJXZ1 및 CJXZ2는 절삭 공구의 경사에서, 소재의 기계 가공되는 표면에서, 그리고 임의로 경사 표면과 절삭 공구-소재 접촉 영역 바로 아래의 절삭 공구와 소재 표면 사이의 유극 갭으로 냉각 제트(18, 20)를 지향하는 냉간 제트 방출 오리피스(도시하지 않음)의 바람직한 위치의 X-X 면 투사이다. 따라서, 냉간 제트 충격은 절삭 공구와 기계 가공되는 소재 표면적으로 한정된다. 절삭 공구의 바스톡 상류를 냉각시키지 않는 것이 중요한데, 그 이유는 그러한 냉각이 절삭에 요구되는 기계 에너지를 증가, 즉 냉각 효과를 말소하고, 동시에 절삭 공구의 수명을 단축시키기 때문이다. 도 1b에 나타낸 바와 같이, CJXZ1 제트는 Y 축을 따라 경사 위에서 위 아래로 위치될 수 있으며, 접촉 길이를 따라 경사면에만 영향을 미칠 수 있다. 이는 상기 논의된 기술 A를 대표한다. 대안으로, CJXZ1 제트는 절삭 공구의 경사 및 기계 가공되는 표면 하류에 분무될 수 있다. 이 대안적인 접근법은 기술 A 및 B를 조합한다. CJXZ2 제트는 Y 및 Z 축을 따라 절삭 공구 뒤 또는 아래에 위치하여 기술 B에 따라 작업할 수 있다. CJXZ2 제트는 CJXZ1 제트로부터의 분무(18)가 기계 가공된 표면을 냉각하는 데 충분히 효과적인 경우에도 제거될 수 있다. 기술 A, B 및 C의 효과를 평가하기 위하여 수행되는 비교 테스트의 결과는 표 1에 요약하며, 테스트 조건을 상세히 설명하였다.FIG. 1B shows the same XZ view of the cutting tool 14 and the workpiece 12 (barstock), but does not include cross-sectional details of subsurface microstructures as in FIG. 1A. Points CJ XZ 1 and CJ XZ 2 are cooled by a cooling jet at the inclination of the cutting tool, at the machined surface of the material, and optionally into the gap gap between the inclined surface and the cutting tool and the material surface directly below the cutting tool-material contact area. 18, 20 is the XX plane projection of the preferred position of the cold jet ejection orifice (not shown). Thus, cold jet impact is limited to the cutting tool and the surface area of the material being machined. It is important not to cool the barstock upstream of the cutting tool, because such cooling increases the mechanical energy required for cutting, i.e. eliminates the cooling effect, and at the same time shortens the life of the cutting tool. As shown in FIG. 1B, the CJ XZ 1 jet can be positioned up and down incline along the Y axis and can only affect the inclined surface along the contact length. This is representative of technique A discussed above. Alternatively, the CJ XZ 1 jet can be sprayed downstream of the inclined and machined surface of the cutting tool. This alternative approach combines techniques A and B. The CJ XZ 2 jet can be positioned according to technology B by being located behind or below the cutting tool along the Y and Z axes. The CJ XZ 2 jet can be removed even if the spray 18 from the CJ XZ 1 jet is sufficiently effective to cool the machined surface. The results of the comparative tests performed to assess the effects of techniques A, B and C are summarized in Table 1 and the test conditions are explained in detail.
도 2는 8 가지 테스트 조건에 대한 백색층 두께의 SEM 측정 결과를 보여준다. 이 결과는 더 예리하고 더 전도성인 CBN 공구가 Al2O3공구에 의해 생성된 것보다 더 얇은 백색층을 생성하는 경향이 있음을 보여준다. 더 예리한 공구로 들어오는 절삭력의 법선 성분의 감소 및 보다 전도성인 공구 재료를 이용한 공구 온도의 감소는 본 발명자들의 기술 A 및 B와 일치한다. 그러나, 백색층 두께 감소에서 가장 중요한 인자는 기술 A 및 B에 따라 적용되는 냉각 제트이며, 이는 사용되는 공구 및 절삭 속도와 무관하게 백색층을 약 40% 감소시킬 수 있다. 가장 중요하고 놀라운 발견은 제트 냉각된 Al2O3공구로 생성된 백색층이 종래 방식(즉, 건조)으로 작동된 CBN 공구에 의해 생성된 백색층보다 유의적으로 더 얇다는 것이다. 더욱이, 700 피트/분에서 Al2O3공구로 생성된 백색층은 400 피트/분에서 건조 CBN 공구로 생성된 백색층보다 더 얇다. 따라서, 본 발명은 경질 기계 가공자로 하여금 더 빠르게, 그리고 더 저렴한 공구 비용으로 더 나은 부재를 생성할 수 있게 한다.2 shows SEM measurement results of white layer thickness for eight test conditions. This result shows that sharper and more conductive CBN tools tend to produce thinner white layers than those produced by Al 2 O 3 tools. The reduction of the normal component of the cutting force entering the sharper tool and the reduction of the tool temperature using more conductive tool material are consistent with the techniques A and B of the present inventors. However, the most important factor in reducing the white layer thickness is the cooling jet applied according to techniques A and B, which can reduce the white layer by about 40% regardless of the tool used and the cutting speed. The most important and surprising finding is that the white layer produced by the jet cooled Al 2 O 3 tool is significantly thinner than the white layer produced by the CBN tool operated in a conventional manner (ie dry). Moreover, the white layer produced with the Al 2 O 3 tool at 700 feet / minute is thinner than the white layer produced with the dry CBN tool at 400 feet / minute. Thus, the present invention enables hard machinists to create better members faster and at lower tool costs.
도 3a는 700 피트/분의 절삭 속도에서 CBN 및 Al2O3공구를 이용한 하드터닝의 결과로서 표면하 경도의 변화를 보여준다. 종래의 건식 하드터닝 후 기계 가공되는 표면 하에서 첫번째 15 마이크로미터 내에서 관찰되는 소재 재료의 바람직하지 않은 연화는 초저온 냉각 제트가 본 발명의 기술 A 및 B에 따라 사용될 경우에 방지된다.3A shows the change in subsurface hardness as a result of hard turning with CBN and Al 2 O 3 tools at a cutting speed of 700 feet / minute. Undesirable softening of the material material observed within the first 15 micrometers under the surface machined after conventional dry hard turning is prevented when cryogenic cooling jets are used according to the techniques A and B of the present invention.
도 3b는 도 3a에서와 같이 네 가지 유형의 샘플에 대한 잔류 응력 측정의 결과를 도시한다. Al2O3의 경우, 초저온 냉각은 통상의 건식 하드터닝으로부터 결과하는 경사 인장 응력을 제거한다. CBN의 경우, 초저온제트는 표면하 응력을 약간 더 압축시키고, Al2O3의 경우에서와 같이 깊이에 따른 응력의 변동을 고르게 한다. 도 3a와 도 3b는 본 발명의 기술 A 및 B가 경질 기계 가공된 표면의 기계적 특성의 예상치 못한 개선을 가져옴을 보여준다.FIG. 3B shows the results of residual stress measurements for four types of samples as in FIG. 3A. In the case of Al 2 O 3 , cryogenic cooling removes the gradient tensile stress resulting from conventional dry hard turning. In the case of CBN, the cryogenic jet slightly compresses the subsurface stress and evens out the stress variation with depth as in the case of Al 2 O 3 . 3A and 3B show that techniques A and B of the present invention result in unexpected improvements in the mechanical properties of hard machined surfaces.
도 1b는 OD-하드터닝의 X-Z 평면도를 나타내고, 도 4a, 4b 및 4c는 동일하지만 바스톡 또는 소재(12)의 면과 절삭 인서트(CT)의 면의 단면을 보여주는 X-Y 면에서의 작동을 보여준다. 도 4a는 기울기각 A-O-B가 음인 하드터닝의 통상적인 방법을 나타낸다. 기계 가공 조작에 저항하는 작업 재료 반작용력, Rxymach의 X-Y 투사는 동일면 X-Y 상에 투사되는 두 가지 힘, 즉 탄젠트 반작용 절삭력, Rxytan 및 반경방향 반작용력, Rxyrad의 합계로서 다소 단일화되어 제공된다. 반경방향 반작용력은 영(0)보다 크고, 통상적으로 탄젠트 또는 공급력(Z 축을 따라 연장함)보다 크며, 일부 하드터닝 경우에서, 조합된 탄젠트 및 공급력보다 크다. 반경 반작용력을 균형맞추기 위하여, 절삭 공구에 의해 소재 표면에 적용되는 반경방향력, Fxzrad는 동일하게 커야하는데, 이는 고 열역학적 하중이 절삭 공구에 의해 소재 표면에 적용되게 하고, 두꺼운 백색층을 형성시킨다.FIG. 1B shows an XZ plan view of OD-hard turning, and FIGS. 4A, 4B and 4C show the operation in the XY plane which is the same but shows the cross section of the face of the barstock or workpiece 12 and the face of the cutting insert CT. . 4A shows a conventional method of hard turning where the tilt angle AOB is negative. The material reaction force, XY projection of R xy mach, which resists machining operations, is somewhat unified as the sum of two forces projected on the same plane XY: tangent reaction cutting force, R xy tan and radial reaction forces, R xy rad It is provided. The radial reaction force is greater than zero, typically greater than the tangent or feed force (extending along the Z axis), and in some hard turning cases, greater than the combined tangent and feed force. In order to balance the radial reaction force, the radial force applied to the workpiece surface by the cutting tool, F xz rad, must be equally large, which causes a high thermodynamic load to be applied to the workpiece surface by the cutting tool and creates a thick white layer. To form.
도 4b는 기울기각 B-O-C가 도 4a에서 초기 음의 값(A-O-B로 표시됨)에서 새로운 양의 값으로 증가함에 따른 종래의 절삭 기하구조(도 4a)의 변형을 제공하며, 반경방향 반작용력 Rxyrad의 방향을 역전시킨다. 사실상, 증가되거나 보다 양의 기울기각은 절삭 공구의 요구되는 반경방향력을 영 또는 영하로 감소되어 소재 표면에서 열역학적으로 영향을 받은 층을 감소시킨다. 절삭 기하구조의 이러한 변형은 본 발명의 기술 C를 나타낸다. 이 기술은 경질 외장 및 경질 직교 절삭 공정으로 연장될 수 있으며, 여기서 유효 경사각은 통상적으로 사용되는 음의 각보다 더 양이 되게 하여, 소재 표면에서의 열역학적 하중이 감소되고, 열역학적으로 영향을 받는 층은 더 얇아진다.FIG. 4B provides a variation of the conventional cutting geometry (FIG. 4A) as the tilt angle BOC increases from the initial negative value (denoted as AOB) in FIG. 4A to the new positive value, and the radial reaction force R xy rad. Reverse the direction of. In fact, an increased or more positive angle of inclination reduces the required radial force of the cutting tool to zero or below zero, thereby reducing the thermodynamically affected layer on the material surface. This modification of the cutting geometry represents technique C of the present invention. This technique can be extended to hard sheathing and rigid orthogonal cutting processes, where the effective tilt angle is made more positive than the negative angle normally used, thereby reducing the thermodynamic load on the material surface and the thermodynamically affected layer. Becomes thinner.
증가된 기울기 및/또는 경사각은 경질 기계 가공에 사용되는 통상적으로 취성인 공구의 절삭 에지 주위에 인장 응력을 생성할 수 있다. 그러한 인장 응력은 건식 절삭 조건을 교시하는 통상의 기술의 경우에서 조기 공구 오류를 초래할 수 있다. 관찰된 바와 같이, 1 이상의 냉각 제트 또는 분무가 경질 기계 가공 중에 절삭 공구의 경사로 향하고, 사용되는 냉각 유체가 불활성 무수, 바람직하게는 초저온인 경우 오류는 덜 빈번하고, 공구 수명은 연장된다(용어 "불활성"은 냉각 유체가 경질 금속과 반응하지 않고, 경질 금속 또는 경질 절삭 공구의 기계적 특성을 여화시키지 않는 것을 의미한다).Increased tilt and / or tilt angle may create tensile stresses around the cutting edges of commonly brittle tools used in hard machining. Such tensile stress can result in premature tool failure in the case of conventional techniques of teaching dry cutting conditions. As observed, if one or more cooling jets or sprays are directed to the inclination of the cutting tool during hard machining, errors are less frequent and tool life is prolonged if the cooling fluid used is inert anhydrous, preferably cryogenic, and tool life is extended (term " Inert "means that the cooling fluid does not react with the hard metal and does not filter the mechanical properties of the hard metal or hard cutting tool).
도 4c는 X-Z 평면도에서 도 1b에 도시된 제트에 해당하는 두 개의 냉각 제트, CJxy1 및 CJxy2의 X-Y 면 투사를 나타낸다. 기술 C의 적용은 CJ1 또는 대안으로 CJ1과 CJ2가 도 4c에 도시된 바와 같이 경질 절삭 중에 분무 냉각제인 경우에 생산 및 비용 관점으로부터 가장 유리하다.FIG. 4C shows the XY plane projection of two cooling jets, CJ xy 1 and CJ xy 2, corresponding to the jets shown in FIG. 1B in the XZ plan view. Application of technology C is most advantageous from a production and cost standpoint when CJ1 or alternatively CJ1 and CJ2 are spray coolants during hard cutting as shown in FIG. 4C.
본 발명은 경질 기계 가공 중에 소재 재료 표면 상에서 절삭 공구에 의해 제공되는 열역학적 하중을 감소시킴으로써 기계 가공되는 소재 내 유해한 백색층 또는 다른 열역학적으로 영향을 받는 층을 최소화시킨다. 상기 논의된 바와 같이, 본 발명은 세 가지 기술(A, B, C)을 포함하며, 별도로 또는 조합하여(AB, AC, BC, ABC) 사용할 수 있다.The present invention minimizes harmful white layers or other thermodynamically affected layers in the workpiece being machined by reducing the thermodynamic load provided by the cutting tool on the workpiece material surface during hard machining. As discussed above, the present invention includes three techniques (A, B, C) and can be used separately or in combination (AB, AC, BC, ABC).
본 명세서에서 특정 구체예를 참고로 설명하고 예시하였지만, 그럼에도 불구하고 본 발명은 나타낸 상세한 설명만으로 한정하고자 하는 것은 아니다. 오히려,다양한 변형이 청구 범위의 균등물 범위 및 범주 내에서, 그리고 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 상세한 설명에서 이루어질 수 있을 것이다.Although specific embodiments have been described and illustrated by reference, the invention is nevertheless not intended to be limited to the details shown. Rather, various modifications may be made within the scope and range of equivalents of the claims and the detailed description without departing from the spirit of the invention.
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